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Simulation im Fluss

Virtueller Prüfstand auf Basis der partikelbasierten Hydrodynamik liefert verbesserte Simulation von Zweiphasenströmungen.

Die schematischen Zeichnungen verdeutlichen die unterschiedlichen Ansätze zur Simulation: die gitterbasierte und partikelbasierte Methode.
Die Strömung von Flüssigkeiten und Gasen spielt in zahlreichen Prozessen eine entscheidende Rolle. Ein Beispiel ist die Benzin- und Dieseleinspritzung in Verbrennungsmotoren, welche maßgeblich die Bildung von umweltbelastenden Stickoxiden und Ruß beeinflusst. Ingenieure und Produktentwickler forschen daher ständig nach der optimalen Strömung für bestimmte Anwendungen.

Computergestützte Systeme zur Strömungssimulation unterstützen diese Entwicklungsarbeit erheblich. Gegenwärtig werden dazu vorwiegend gitterbasierte Simulationsverfahren eingesetzt, bei denen die Phasen – flüssige oder gasförmige Materialien – als Volumenanteile in Gitterstrukturen abgebildet werden. Bei komplexen Problemstellungen, wie beispielsweise der Kraftstoffeinspritzung, muss das Gitter mit Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas mitbewegt werden, wodurch eine enorme Rechenleistung nötig ist. Bei Mehrphasenströmungen stößt diese Technologie an ihre Grenzen.

Einen neuen Ansatz wählen Wissenschaftler des Instituts für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) am KIT. Sie haben eine Simulationslösung entwickelt, die auf dem numerischen Verfahren „Smoothed Particle Hydrodynamics“ basiert, zu Deutsch geglättete Teilchen-Hydrodynamik. Hierbei werden Fluide und Gase in Massepakete – genannt Partikel – aufgeteilt, die sich gemäß den Gesetzen der Strömungsmechanik bewegen. Durch Bewegung und Interaktion einzelner Partikel können Strömungsfelder realitätsgetreu simuliert werden. Aufgrund der „Gitterfreiheit“ lassen sich komplizierte Berandungen und Grenzflächen, die einer starken Deformation ausgesetzt sind, einfach realisieren.

Basierend auf diesem Ansatz wurde ein virtueller Prüfstand entwickelt, der alle wichtigen Schritte der Strömungssimulation umfasst: von der Aufbereitung der CAD-Daten im Preprocessing über die Berechnung der Strömung bis hin zur Visualisierung im Postprocessing. Neben gängigen Animationen lassen sich die Simulationsergebnisse mittels virtueller Realität auch aus allen möglichen Perspektiven betrachten und manipulieren. Eine erheblich schnellere Rechenleistung ermöglicht umfangreiche virtuelle Testreihen in kurzer Zeit.

Das KIT sucht Industrieunternehmen, die die neue Simulationstechnologie für spezifische Problemstellungen nutzen möchten.

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Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Dr.-Ing. Philipp Scherer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanager Mobilität, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-28460

E-Mail: philipp.scherer@kit.edu

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